电探地雷达毕业论文.doc

毕业设计(论文)专用纸电探地雷达毕业论文目录摘要3Abstract3第一章 概述41.1.地下管线的现状41.2.地下管线探测的目的和意义6第二章 各种地下管线探测的方法及特点72.1.直接法和插钎口法72.2.电探测法72.2.1.直流电探测法72.2.2.交流电探测法82.3.磁探测法112.4.CCD法112.5.地震波映像法11第三章 探地雷达的介绍133.1.探地雷达技术的发展及应用现状133.2.探地雷达的原理143.3.DETECTOR DUO探地雷达的描述16第四章 探地雷达探测成图相关理论介绍184.1.RTK介绍184.1.1.RTK原理184.1.2.RTK的系统组成194.2.数字测图技术19第五章 利用探地雷达对地下管线进行探测的步骤与成图方法的探究 205.1.探地雷达对地下管线进行探测的步骤205.1.1.该地区原有的地下管线或平面图资料205.1.2.探地雷达215.1.3.仪器准备225.1.4.管线探测225.2.成图方法的探究355.2.1.利用网络RTK成图355.2.2.利用数字测图方法成图36第六章 总结41参考文献43摘要探地雷达作为一种新的探测方法，在城市管线探测过程中得到了越来越广泛的应用。本文就探地雷达的原理及探地雷达在地下管线探测中的应用进行说明，并探讨配合探地雷达的成图方法。本次试验是在北京市西城区展览路一号的北京建筑工程学院进行的。由于该地区的地下管线时间比较长，又有新埋设的管线，地下管线情况复杂。应北京建筑工程学院要求和测绘学院的委托,我对北京建筑工程学院道路下的地下管线进行探测，并绘出地下管线的平面图。通过利用探地雷达对地下管线的探测，阐明探地雷达的工作原理和探测方法,并找到成图的方法。关键词:探地雷达,原理,探测,方法,成图AbstractGround Penetrating Radar as a new detection method, in the city pipeline detection process has been more widely used. In this paper, ground penetrating radar in the Beijing Institute of Architectural Engineering detection of underground pipeline to clarify the working principle of ground penetrating radar and detection methods, and find ways into the figure. The test is in Exhibition Road, Xicheng District, Beijing Institute of Architectural Engineering One of the carried out. Underground pipelines in the region as a long time, there are newly laid pipeline, underground pipelines complicated. Beijing Construction Engineering College should be required and Mapping Institute of the commission, I am under Beijing Construction Engineering College Road underground pipeline detection, and draw the floor plan of underground pipelines. Through the use of ground penetrating radar to detect underground pipes, to clarify the working principle of ground penetrating radar and detection methods, and find ways into the figure.Keywords: GPR, Principle, Probe, Methods, Mapping.第一章 绪论探地雷达，又名地质雷达，在国外它的名称很多，有ground penetrating radar、ground probing radar、geo radar、subsurface radar、earth sounding radar等，但国内大部分都使用探地雷达这一词，国外也基本上统一为ground penetrating radar(GPR)。探地雷达是一种高效的浅层地球物理探测技术，它通过发射高频电磁脉冲波，利用地下介质电性参数的差异，根据回波的振幅、波形和频率等运动学和动力学特征来分析和推断介质结构和物性特征。与探空雷达不同，探地雷达使用的频率一般低于前者，其理论研究主要是电磁波在有耗介质中的传播，由于介质的不均匀性、各向异性、强衰减性等，其复杂程度较之探空雷达要大得多。与传统的地球物理方法相比，探地雷达具有快速便捷、操作简单、抗干扰和场地适应能力强、探测分辨率高等方面的优势1，因而该技术一面世便受到工程物探界的普遍重视。特别是自20世纪70年代以来，随着计算机和微电子技术的飞速发展，探地雷达无论是在仪器设备，还是数据处理等方面都得到普遍提高，其应用范围不断扩大，已广泛应用于地质、工程、资源、环境、军事等方面。但从目前的应用情况看，探地雷达存在的问题较多，面对我国工程建设中大量的疑难问题总显得有些力不从心。因而探地雷达在我国的工程建设中一直难以充当重要角色。本文的地下管线是北京建筑工程学院内道路下埋置得下管线。地下管线按行业可以分为给水、排水、燃气、热力、工业等各种管道和电力、电信等等各种电缆线。当今城市道路上的地下管线存在诸多为题，通过时间的推移和地下工程的建设逐步显现出来。地下管线的探测对城市规划、城市居民和城市可持续发展有着非常重要的作用。地下管线探测的方法分为直接法和扦插口法、电探测法、磁探测法、CCD法和地震波映像法。本文将重点介绍电探测中的一种探地雷达探测法。本文将对目前应用比较广泛的地下管线的探测方法及其基本原理进行简要说明，重点叙述探地雷达的原理，和探地雷达在地下管线探测中的实际应用方法。本次试验将以北京建筑工程学院内道路下的地下管线为例，对探地雷达、和与探地雷达配套的探测软件和相应的雷达图处理软件的操作方法以及探地雷达对地下管线进行探测的整个程序进行了具体的阐述。通过利用探地雷达对地下管线进行探测，讨论地下管线探测的成图方法。1.1.地下管线的现状城市地下管线的现有状况和存在的问题可以概括为：缺少统一领导，缺乏科学规划，缺乏有效监管；已有地下管线布设不合理，老化严重，家底不清，资料不全；地下管线普查投入不足、进度较慢，效果不佳；修测不及时，养护未跟上，浪费比较严重；行业指导不够，专业队伍不强，市场监管力度不够。例如：已有管线过密，最密处上下交叉10余层，并排铺设近100根，管径最小不到100mm，最大达到4000mm。管线间的安全距离不足，存在很多隐患。一些城市的老城区，给、排水管道严重老化、锈蚀，内壁结垢，管径偏小，输水能力低；遇到汛期和暴雨季节，局部积水严重，城区居民地被淹。有关数据表明，某省会城市平均每天发生自来水管损坏的有三十多起，一年上万起，其中300mm以上的水管爆裂有335起，年流失自来水7000多万吨。再如：在地下管线现状资料不全方面，有一些城市甚至没有一张完整的地下管网图，更谈不上现势性较好的管线资料。在城市建设加快时，经常有管线事故发生，在施工中发生管线被挖断，引起停水、停气、停热、停电和通讯中断等事故。据不完全统计全国每年因施工引发的管线事故所造成的直接经济损失达五十亿元，间接经济损失达四百多亿元，造成严重的经济损失和不良的社会影响。有的施工单位未向规划部门报批便开工；有的社工单位为了抢进度，边报批边施工，没有弄清楚地下管网的情况就盲目开挖；有时虽然是按照图纸施工，但图纸上明明没有标明有管线，可施工时却挖出了问题，如此等等。上面所述情况只是现象，从本质上讲，从本质上讲地下管网存在的问题主要体现在以下几个方面：（1） 缺少统一领导和规划 在我国许多城市，尤其是中、小城市，各管线单位从各自的利益出发，在管线的铺设过程中，经常出现城市道路重复开挖、重复施工的情况，影响市容交通；另外，管线铺设基础处理差，回填质量差，造成市区道路路面较差。旧城区道路狭窄，建筑密度大，违章建筑压在管线上面，影响使用、维护、更新，成为事故隐患。各种井盖被埋，难找难补，有的井盖高出地面，妨碍交通，容易被盗，成为车辆损坏人员伤亡的隐患。由于各类地下管线的资金来源和实施时间不同，造成底线管线的位置、走向、标高都比较混乱，各专业各单位各行其是，设计施工前缺乏充分的勘测，在施工中出现损坏地下管线，造成停水、停电、触电伤亡、排水管道堵塞和通讯中断等事故。管道铺设不留安全距离，造成维修困难。（2） 资料不全、管理不力 城市建设主管部门是地下管线的管理机构，但由于历史和现实原因，管理未能真正旅行。目前主要道路干线资料归各专业管线单位存档。已有的地下管线信息数据不完全、不翔实且流通不畅。如果没有对管径、长度、埋深及管线中的控制阀门等设施加以标注，综合图对城市规划及个管线单位无实际指导意义等。由于不能提供准确的现状资料，造成规划、设计和施工困难，规划管理审批的盲目性大。新建管线在竣工后未经主管测量单位审查进行竣工测量，竣工资料归档措施乏力，没有向城市地下管线管理主管部门提供新建地下管线资料，以致大量竣工资料分散。据统计，全国大约有70%的地下管线没有基础性城建档案资料，地下管线的家底不清的情况普遍存在。原有城市地下管线没有普查、建档，新增管线资料没有及时归档入库。（3） 城市建设发展快，基础设施跟不上 高速公路、高速铁路、城市地铁等都是在借鉴国外发达国家建设经验的基础上大力发展起来的。地下管线属于公用基础设施，由于城市建设的发展速度太快，基础设施建设往往跟不上，在我国缺乏经验，加上老城区改造的欠账太多，要从根本上一下子解决地下管线的改造、建设和管理问题是不可能的。特别是城市郊区的居民区，基本上没有考虑给排水的统一规划，许多应埋在地下的管线如电力线、通讯线等，都无序的布设在地上。城市郊区居民地和乡镇的污水排放问题是城乡差别最突出的一点。 针对上述问题，国家给予了极大重视，城市地下管线的普查工作已在各大城市全面展开，建设部于1994年就制订了城市地下管线探测技术规程，2003年进行了重新修订并发布。目前，全国有四分之一的城市完成了地下管线的普查工作，更多的城市正在或将要全面开展地下管线普查工作。由于地区差异，地下管线普查中也存在不少问题。如普查工作准备不足，经费未完全到位；地下管线普查领导小组的指挥、协调作用存在比较大的差异；在地下管线普查前，现况调绘资料不落实，影响到普查工作的开展；地下管线普查建立不规范，监理的素质参差不齐；地下管线普查价格偏低，质量得不到保证；有的城市建设没有建立动态监理机制，还需要重新普查；有的城市建立的地下管线信息系统没有发挥积极作用，效果欠佳等。 随着地下管线普查工作的全面深入开展，上述问题已得到较好的解决。如许多城市的地下管线普查领导小组组长都是由市主要领导单人的，地下管线普查经费也得到进一步保证。1.2.地下管线探测的目的和意义1目的 地下管线探测的目的是获取地下管线精密、可靠、完整且现势性强的几何及属性数据。用这些数据出了生产地下管线的图纸报表和其他城市用途等常规档案资料外，还为建立地下管网信息系统提供基础资料。城市管网信息系统可以提高规划、设计部门以及各专业管线管理单位的工作效率，为城市的规划、设计、施工和管理服务，实现管理的科学化、自动化和规范化。2意义 地下管线被视为城市的生命线，是城市的重要基础设施，它担负着传输信息，输送能量及排放废液的工作。当今的城市基本上都朝着功能性城市发展，而地下管线的密集程度也町以从一个侧面反映出一个城市功能性的高低。由于历史原因，我国许多城市地下管网分布不清，档案资料管理不够规范，某熙厂矿企业地下管网的铺设，甚至没有竣工图纸。上述这些都给城镇、工矿企业的建设与改造以及管线的使用与维护带来很多的困难。随着我国改革开放和经济建没的发展，因施工过程造成损坏管线而引起人员伤亡、停水及停电等重大事故屡见不鲜。为了防止施工过程中损坏地下管线设施，地下管线的探测已成为施工的必不町少的前提条件。探测地下管线对城市的正常运营及改造扩建具有十分重要的意义。第二章 各种地下管线探测的方法及特点地下管线按其物理性质可大致分为3类：由铸铁、钢材构成的金属管线；由钢、铝材料构成的电缆；由水泥、陶瓷和塑料材料构成的非金属管道。上述管线与周围介质在电性、磁性、密度、波阻抗和导热性等方面均存在差异，因此我们可以利用导电率、导磁率、介电常数和密度等物理参数，选择不同的地球物理方法进行探测。地下管线探测方法一般分为2种：一种是井中调查与开挖样洞或简易触探相结合的方法，目前在某些管线复杂地段探测中采用，在检查验收中也需采用；另一种是仪器探测与井中调查相结合的方法，这是目前应用最为广泛的方法。在各种物探方法中，就其应用效果和适用范围来看，依次为直接法和插钎法、电探测法、磁探测法、COD法、地震波映像法等。其中电探测法中的电磁感应探测法具有探测精度高、抗干扰能力强、应用范围广、工作方式灵活、成本低、效率高等优点，是目前国内外最常用的方法。2.1.直接法和插钎口法当阀门井和消防井分布较密时，可采取在井内直接观测和追索的方法，这是一种可行又直观的简便方法；在埋深较浅且覆盖层又很松软时，可采用钢钎接触方法，这是一种经济、简便有效和可行的方法。2.2.电探测法电探测法是属于地球物理探测方法的一种，通常称为电法探测。电法探测可分为直流电探测法和交流电探测法两大类。2.2.1.直流电探测法此方法是用2个供电电极向地下供直流电，电流从正极供人地下再回到负极，在地下形成一个电场；当存在金属管线时，由于金属管线的导电性良好，它们对电流有“吸引”作用，使电流密度的分布产生异常；若地下存在水泥或塑料管道，它们的导电性极差，于是对电流则有“排斥”作用，同样也使电流密度的分布产生异常。通过在地面布置的2个测量电极便可观测到这种异常，从而可以发现金属管线或非金属管线的存在及其位置。这种方法是以金属管线或非金属管线与其周围的涂层存在导电性差异为前提的，其中最常用的就是高密度电阻率法。高密度电法基本原理与常规电阻率法完全相同。刘晓东等在新余市地下管线调查中，根据管道为混凝土质，其电阻率远高于围岩而易形成高阻异常，从而利用高密度电法发现了下水管道的管顶。在某中学扩建中，用金属管线探测仪无法探测到地下情况，刘万恩等采用高密度电法探测出地下管线走向及分布情况，其中有一条是直径为22 m的混凝土供水于管。另外，潮北神龙工勘院运用常规直流充电法，解决了武汉一住宅楼囚地下供电电缆发生故障致使断电2天的难题”J。尽管常规直流电法可以探测地下管线，但是由于该法在敷设一次导线后只能够完成一个记录点的数据观测，而目前在管线探测中常遇到目标体深不大或规模较小等情况，所以该方法效率就显得太低了；高密度电法是一种体积探测方法，与常规直流电法相比分辨力高且效率可观。但是，如果目标体的埋深过大，或是管道的直径太小，都会影响其探测效果，甚至探测不出来。为了取得较好的探测效果，需要注意选择电极问距和阵列长度，比如在大中城市利用高密度电法探测地下管道，不可避免地会遇到地下杂散电流、接地条件恶劣和极化电位差突变等影响，严重时难以得到客观的观测结果。相比之下，直流电法装置排列中的温纳排列，其测量电极间距与供电电极间距之比恒定为13，受外界干扰较小，应当是城市高密度电法探测中首选的排列形式。高密度电法作为今后城市地下管道探测的一种有效手段，可以与其他物探方法配合来解决金属管线探测仪无法探测地下非金属管道的难题。2.2.2.交流电探测法该方法是利用交变电磁场对导电性或导磁性或介电性的物体具有感应作用，通过观测发射产生的二次电磁场来发现被感应的物体。常用的交流电探测法有多种。2.2.2.1.甚低频法世界上许多国家为军事、商船通讯及导航目的设立强功率的长波电台，发射频率为1 525 kHz。采用这种电台作为物探工作的发射场源，达到找矿或解决其他问题的一类电磁法，通称为甚低频电磁法，简称甚低频法。目前，我国能利用的电台有：日本NDT电台，频率为174 kHz；澳大利亚NWC电台，频率为223 kHz；莫斯科UMS电台，频率为1 71 kHz；美国NAA电台，频率为1 78 kHz。这些电台功率一般为5031 000 km，发射功率大，电磁波传播远，即使在324 800 km处亦可将这些电台作为找矿和解决其他问题的发射场源。其原理是电台发射的电磁波在传播过程中，将会使管线及周围介质极化而产生二次场，由于管线与周围介质在物性L的差异，使二次场及其总场均有一定的差异，通过测量这些差异可发现引起差异的高阻或低阻管线。其巾测量的方法有倾角法和波阻抗法。它具有场强均匀、噪声低、电台工作时间长等特点。甚低频法在理论L完全可以进行地下管线的探测，但是在实际应用中还没有得到广泛的推广。2.2.2.2.电磁感应探测法应用电磁法探测地下管线，通常是先使导电的地下管线带电，然后在地面上测量由此电流产生的电磁异常，达到探测地下管线的目的。其前提是：地下管线与周围介质之间有明显的电性差异；管线妊度远大于管线埋深。在此前提下，无论采用充电法或感应法，都会探测到地下管线所引起的异常。从原理上讲，在感应激发条件下，管线本身及导电介质均会产生涡流。对于那些直径与埋深可比拟的管道而言，在地表所引起的异常既决定于管线本身所产生的涡流，也决定大地一管线一大地这个回路中的电流以及管线所聚集的、存在于导电介质中的感应电流。金属管线的导电性远大于周匍介质的导电性，所以管线内及其附近的电流密度就比周围截止的电流擀度大。这就好像在管线处存在一条单独的线电流。对一般平直的长管线，可近似将其看成由无限长直导线产生的磁异常。在距管线中心r(单位：m)处，其磁场强度(单位：Am)由毕奥一沙伐尔定律求得 4-1式中，J为流经管线的交变电流强度(单位：A)。常用的方法有2种：主动源法印利用人工方法把电磁信号施加于地下的金属管线之上，包括直接充电法、感应法、央钳法及示踪法；被动源法，即直接利用金属管线本身所带有的电磁场进行探测，同时应用电磁法进行管线探测时，其应用效果取决于管线的具体情况及环境条件。李远强在一市区某路u采用瞬变电磁法探测出地下管道4条，很明显地分辨出其位置和走向(其中3条管道并排埋设)自西向东分别为电力电缆、电力电缆、电信电缆和上水管道。王法刚等在某一实测区段用频率域电磁法进行地下管线探测时由f地下分布多条地下管线”J，并存在多种十扰源，先对l条给水管进行充电法探测；对于电缆，则采用被动源进行探测，从被动源探测成果曲线可推求管线条数、空间分布位置及埋深。该方法具有不接地无损探测地下金属物的特点，在地下5 m以内效果都很明显，而且不论在理论或是具体实践方面都已经很成熟。虽然建立电磁场的方法有很多种，但是其中也有一定的局限。比如直接充电法是目前追索地下金属管线最为有效的方法之一，但必须有管线的出露点；灾钳法对多条电缆进行逐条分辨时有明显的优点但通常使用时不允许巾断运行。要注意的是为取得最好的探测效果，对每个工区都应通过试验后按频率选择原则选取最佳的作频率。1 kHz以下：有利于长距离追踪及对大直径管道的探测。由于频率低，故丌i可以采用感应法工作，有时较易受到工频率干扰。10 kHz：这是目前国内外各类仪器采用较多的频率。应用感应法时，在小直径管线上较难产生大的讯号电流。30 kHz：比较容易将讯号感应到大部分管线上，是一种较常用的频率。但追踪距离较采用低频时小对地下水位较高的地医，其探测深度也较小。80 kHz以上：比较翁易感应耦合到邻近平行管线，探测距离小在管线复杂的地区应用受到限制。在干燥地区可应用感应法探测小直径电缆及短距离的电缆，同样在地下水较高的低阻地区，其应用少，效果较差。2.2.2.3.电磁辐射探测法一探地雷达1910年，在一项德国专利中提出，用埋设在一组钻孔中的偶极天线探测地下相对高导电性的区域，正式提出厂探地雷达概念。似乎是第一个提出应用脉冲技术确定地下结构的思路。Cook于1960年用脉冲在矿井中试验，但由于地下介质与空气相比具有较强的电磁衰减特性，因此，探地雷达的初期应用仅限于对电磁波吸收很弱的水层或岩盐等介质中。如1970年在南极冰层上取得了800 l 200 m穿透深度的资料。随着电子技术的发展以及现代数据处理技术的应用，探地雷达应用领域也已由低损耗地下介质向有耗地F介质迅速拓展。20世纪90年代初，国内开始引进和研制探地雷达。探地雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)是利用高频电磁波以宽频带短脉冲形式由地面通过发射天线送入地下，由于周围介质与管线存在明显的物性差异(主要是电导率利介电常数差异)，脉冲在界面上产生反射和绕射回波，接受天线收到这种回波后，通过光缆将信号传输到控制台经计算机处理后，将雷达图像湿示出来。通过对雷达波形的分析，并利用公式 4-2可确定地下管线的位置和埋深。式中为收发中点的坐标，t为脉冲波行程时间，h为管线埋深，”为电磁波在介质中的传播速度。”恤可以用宽角法直接测量，也可以根据 4-3近似算出。式中。为光速，为地下介质的相对介电常数。困与探空雷达技术相似，故亦称“地质雷达”。张进华等在南京市白下路河水管施工过程中，利片j探地雷达准确地探测到铸铁煤气管和给水管等金属管线的位置，为管道设计和施_安全提供了重要的参考依据；在金坛市管线普查过程中，不仅地下水泥管的管顶反射清晰，而且还接收到较强的管底反射信号；在上海市黄埔江边对埋深达9 m左右的军用光缆进行了探测，反射信号非常强，从而准确判别出光缆的空间位置。汤洪志等在华东地质学院职工澡堂门前探测出地下3根水管深度，与实际情况基本吻合；钱荣毅在市某居民小区也利用探地雷达对PVC和PE等非金属管探测有很明显地效果。探地雷达能够很好地探测金属管线。在探测非金属管线时同样具有快速、高效、无损及实时展示地下图像等特点，所以也是非金属管线探查的首选工具，但是当地层电阻率低时，则探测深度小投资比较大”。需要注意的是在进行地下管线探测时，苒先要了解管线的类型、走向和大致埋深，合理选择天线频率，设置最佳时窗和选择滤波参数。地下管线埋置较浅时，时窗设置不宜过大，以有效突出管线反射信号；管线直径较小时，探测天线的移动速度不能太快，否则在图像上很难出现双曲线特征，会在垂直方向出现线状强反射信号。测线布置应尽量垂直于地下管线的走向。2.3.磁探测法早在1 7世纪，瑞典人就开始用简单的罗盘观测来寻找磁铁矿。1870年瑞典人制成了被称为万能磁力仪的测量地磁场相对变化值的仪器用来研究异常磁场，开展了较广泛的磁法找铁矿工作。1915年德国人Schmidt制成刀刃式垂直磁秤，大大提高了精度。1936年苏联人试制成功航空磁力仪，大大提高了磁测的速度，扩大了磁测的范围。在20世纪50年代末和60年代初，苏联和美国又相继把质子旋进式磁力仪移到船上，开展r海洋磁测“。我国的磁法测量从20世纪30年代在云南开始，直到现在，地面磁测、航空磁测、井中磁测和海洋磁测均已大量开展。随着磁法的不断推广技术的不断完善，它也可以用在管线的探测中。由于铁质管道在地球磁场的作用下被磁化管道磁化后的磁性强弱与管道铁磁性材料有关，钢、铁管的磁性较强，非铁质管则无磁性。磁化的铁质管道就成了一根磁管道，而且因为钢铁的磁化率最强而形成它自身的磁场，L于周崮物质的磁性差异很明显。通过地面观测铁质管道的磁场的分布，便可以发现铁质管道并推算出管道的埋深，这就是磁法探测的原理。在广东某海域进行的工程建设规划中，吕帮来和王传雷采用走航式顺利地找出了该海域一条水泥排污管线的具体位置及走向。尽管在管线探测的工作中磁法也有一定的效果，但是因为磁法需要的仪器的精度较高，而且易受附近磁性体干扰。在实际工作中磁性物体的磁化率大小、剩余磁场的强弱和方向、磁性物体的规模和埋深及磁性体所处的地理位置，都是影响其产生的磁场分布特征及磁场强度的主要因素。2.4.CCD法CCD法即单道共偏移距法(common offset distance)。其原理是，当地下有管线存在时，由于非金属管线与周围介质存在着物性差异，激发的弹性波在遇到这一界面时会发生反射口。反射波被仪器接收并记录，再根据发射信号的同相轴的连续性及频率的变化分析判断管线的窄间位置。岳亚东采用r此方法对哈尔滨建成厂内的排水管线进行了探测后经厂方验证，探测结果正确。CCD法对于埋深较浅、管径较粗的管线效果会更好，但是必须注意的是其道问距必须小于波长的14一般道间距币大于03 m。由于CCD法的采集质量受环境干扰影响较大，所以最好选在夜间施工。2.5.地震波映像法地震波映像法是近儿年才m现的新方法，是利用弹性波在地下介质的传播过程中，遇到地下管线后产生反射、折射和绕射波，使弹性波的相位、振幅及频率等发生变化，在反射波时间剖面上出现畸变，从而确定地下管线的存在。存没有地卜管线的地方，地震波的形态及到达时间应该大致相同，而地震波发生畸变及出现新的波组的地方，尤其连续发生畸变的地方，则可能有地下管线存在。杨兴其等采用地震映像法通过最佳窗口的选择肘要探测的路面进行剖衙扫描，找出了地下管线的具体位置。这种方法受环境和地下介质的影响较大，要求具体操作人员具有较强的理沦水平及文践经验，同时此方法在理论上及实际操作中还有许多值得推敲的地方，所以不宜随意采用此方法。第三章 探地雷达的介绍探地雷达，又名地质雷达，在国外它的名称很多，有ground penetrating radar、ground probing radar、geo radar、subsurface radar、earth sounding radar等，但国内大部分都使用探地雷达这一词，国外也基本上统一为ground penetrating radar(GPR)。探地雷达是一种高效的浅层地球物理探测技术，它通过发射高频电磁脉冲波，利用地下介质电性参数的差异，根据回波的振幅、波形和频率等运动学和动力学特征来分析和推断介质结构和物性特征。与探空雷达不同，探地雷达使用的频率一般低于前者，其理论研究主要是电磁波在有耗介质中的传播，由于介质的不均匀性、各向异性、强衰减性等，其复杂程度较之探空雷达要大得多。与传统的地球物理方法相比，探地雷达具有快速便捷、操作简单、抗干扰和场地适应能力强、探测分辨率高等方面的优势1，因而该技术一面世便受到工程物探界的普遍重视。特别是自20世纪70年代以来，随着计算机和微电子技术的飞速发展，探地雷达无论是在仪器设备，还是数据处理等方面都得到普遍提高，其应用范围不断扩大，已广泛应用于地质、工程、资源、环境、军事等方面。但从目前的应用情况看，探地雷达存在的问题较多，面对我国工程建设中大量的疑难问题总显得有些力不从心。因而探地雷达在我国的工程建设中一直难以充当重要角色。3.1.探地雷达技术的发展及应用现状探地雷达的历史最早可追溯到20世纪初。1904年，德国人Hlsmeyer首次将电磁波信号应用于地下金属体的探测。1910年，Leimback和L鰓y以专利形式提出将雷达原理用于探地，他们用埋设在一组钻孔中的偶极天线探测地下相对高导电性质的区域，正式提出了探地雷达的概念。1926年Hlsenbeck第一个提出应用脉冲技术确定地下结构的思路，他指出介电常数不同的介质交界面会产生电磁波反射。由于地下介质具有比空气强得多的电磁衰减特性，加之地下介质情况的多样性，电磁波在地下的传播比空气中复杂的多，之后二三十年尽管在美国出现过一些相关的专利，这项技术很少被运用到其它领域,直到50年代后期，探地雷达技术才慢慢重新被人们所重视。探地雷达在矿井(1960,J.C.Cook)、冰层厚度(1963,S.Evans)、地下粘土属性(1965,Barringer)、地下水位(1966,Lundien)的探测方面得到了应用。1967年，一个与stern最初用于冰川探测的仪器类似的系统被设计研制出来，1972年Procello将其于探测月球表面结构。同样在1972年，Rex Morcy和Art Drake开创了GSSI(Geophysical Survey Systemsic)公司，主要从事商业探地雷达的销售。随着电子技术的发展，数字磁带记录问世，加之现代数据处理技术的应用，特别是拟反射地震处理的应用，探地雷达的实际应用范围在70年代以后迅速扩大，其中有：石灰岩地区采石场的探测(1971,Takazi;1973,kithara;)、淡水和沙漠地区的探测(1974,R.M.Morey;1976,P.K.Kadaba)、工程地质探测(1976,A.P.Annan和J.L.Davis;1978,G.R.Olhoeft,L.T.Dolphin)、煤矿井探测(1975,J.C.Cook)、泥炭调查(1982,C.P.F.Ulriken)、放射性废弃物处理调查(1982,D.L.Wright;1985,O.Olsson)、以及地面和井中雷达用于地质构造填图(1997,M.Serzu)、水文地质调查(1996,A.Chanzy ;1997,Chieh-Hou Yang)、地基和道路下空洞及裂缝调查、埋设物探测、水坝的缺陷检测、隧道及堤岸探测等。自70年代以来、许多商业化的通用数字探地雷达系统先后问世，其中有代表性的有：美国Geophysical Survey System Inc公司的SIR系统、Microwave Associates的MK系列，加拿大Sensor & Software的Pulse Ekko系列，瑞典地质公司(SGAB)的RAMAC/GPR系列，日本应用地质株式会社OYO公司的GEORADAR系列及一些国内产品(电子工业部LTD系列，北京爱迪尔公司CR-20、CBS-900等)。这些雷达仪器的基本原理大同小异，主要功能有多通道采集、多维显示、实时处理、变频天线、多次叠加、多波形处理等，另外还有井中雷达系统，多态雷达系统，层析成像雷达系统等。国内探地雷达的研究始于70年代初。当时，地矿部物探所、煤炭部煤科院，以及一些高校和其他研究部门均做过探地雷达设备研制和野外试验工作，但由于种种原因，这些研究未能正式用于实际。90年代以来，由于大量国外仪器的引进，探地雷达得到了广泛的应用与研究。1990-1993年，中国地质大学(武汉)在国家自然科学基金资助下，开展了大量的理论研究和工程实践，取得了不少成果。探地雷达主要应用领域有隧道(1998，隋景峰；2001，刘敦文等 )、水利工程设施(1997，赵竹占等)、混凝土基桩(2000，李梁等 )、煤矿(1998，刘传孝等)、公路(1996牛一雄等 ；1997，沈飚等 )；岩溶(1994，王传雷，祁明松；1995，李玮，梁晓园 )；工程地质(1994，胡晓光；1999，刘红军，贾永刚 )；钻孔雷达(1999，宋雷，黄家会 )等。3.2.探地雷达的原理探地雷达勘探是一种以地下不同介质的介电常数差异为基础的物探方法。它利用一个天线发射高频宽频带电磁波，另一个天线接收来自介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化(李大心，1994)。接收天线接收返回地面的反射波，将其传人仪器内进行显示和记录，利用资料的后处理便可得到地下不同介质的分布情况及介电常数变化面的位置等参数。地质雷达的观测方式有两种：一种是宽角法，发射天线固定不动，接收天线沿测线移动并逐点接收来自反射界面的反射回波，则回波走时与天线距之间满足(1)式(图4-1) 3-1 式中z为发射天线与接收天线之间的距离(m)；u为电磁波在地下介质中的传播速度(mns)；2为反射点到地面的垂向距离(m)；t为回波走时(ns)。另一种方式是剖面法，保持发射和接收天线距固定不变，逐步移动装置。对于零天线距的单置式天线而言，即天线距很小且固定时同时激发并接收，则自激自收时间为 3-2（图3-1）探测原理图（图3-2）探测原理图3.3.DETECTOR DUO探地雷达的描述（图3-3）探地雷达仪器DETECTOR DUO探地雷达主要是由主机和软件两部分组成。主机部分包括：内置双通道主机；完全数字化天线控制卡，电压转换卡，A/D转换卡；通过10MB/100MB网卡与笔记本连接；“即插即用”功能，与笔记本连接无需驱动程序；端口：天线端口，测距轮端口，电池端口，网口；数据采集方式：测距轮控制；符合CE电气化标准。软件部分包括：操作系统： Windows XP, 2000；自动增益校准和滤波处理；自动增益校准和滤波处理；时窗：根据天线及探测区域土质情况自动设置；显示方式：彩色或灰度显示；探测时随时输入管线标记及其它相关信息；数据回放功能，可现场定位管线；现场打印功能 (包含管线的各种信息)；智能诊断报警：电池电量，数据丢失报警。技术规格：运行时间：大于10小时；天线尺寸：60厘米x35厘米；重量：15千克；天线：250MHz+700MHz屏蔽；软件：全中文操作界面。RIS-Detectorduo 系统主要特征：1.全中文操作界面，操作简单2.功能强大，经济高效 3.带折叠推车，轻巧方便4.现场准确定位各种材质管线 5.有效解决管线探测中的各种问题6.方便的回推定位功能，现场管线定位、定深7.最大探测深度6米8.自动增益校准和滤波处理，自动设置时窗9.数字化天线控制卡，高精度探测及数据存储10.Windows2000、XP系统，智能诊断报警11.探测速度9 Km/h，连续工作时间10小时 3D软件特征：1.滤波器种类齐全，自主设置各种滤波参数2.自动三维成像及切片处理3.自动统计和输出目标物的各种信息4.查看雷达波的振幅、频谱、功率谱等信息5.直接在雷达图上标出各种缺陷位置，保存图形并打印6.形式多样的数据处理及数据查看wiggle图，灰度图和三维切片图用途：1.各种金属和非金属（PE、PVC、水泥等）管线探测2.地下建筑物（岩溶、地道、人防、地下室等）探查3.路面缺陷、地基、桩基等检测4.地下土壤分类、分层5.自动绘制市政管线图第四章 探地雷达探测成图相关理论介绍本文讨论的是利用探地雷达对地下管线进行探测之后的成图方法,试验所用的方法是RTK或网络RTK,和数字测图的方法.4.1.RTK介绍4.1.1.RTK原理RTK的工作原理是在基准站上安置一台GPS接收机，另一台或几台接收机至于载体（称为流动站）上，基准站和流动站同时接收同一时间相同GPS卫星发射的信号，基准站所获得的观测值与已知位置信息进行比较，得到GPS差分改正值。然后将之歌改正值及时地通过无线电数据链电台传递给共视卫星的流动站已精化其GPS观测值，得到经差分改正后流动站较准确的实时位置。4.1.1.1.实时载波相位差分我们知道，GPS静态测量的方法是各个接收机独立观测，然后用后处理软件进行差分解算。那么对于RTK测量来说，仍然是差分解算，只不过是实时的差分计算。 也就是说，两台接收机（一台基准站，一台流动站）都在观测卫星数据，同时，基准站通过其发射电台把所接收的载波相位信号（或载波相位差分改正信号）发射出去；那么，流动站在接收卫星信号的同时也通过其接收电台接收基准站的电台信号；在这两信号的基础上，流动站上的固化软件就可以实现差分计算，从而精确地定出基准站与流动站的空间相对位置关系。在这一过程中，由于观测条件、信号源等的影响会有误差，对于我们Z-X接收机来说，此部分的仪器标定误差为平面1cm+1ppm，高程上由于受电离层以及对流层的影响较大，精度略逊.4.1.1.2.坐标转换空间相对位置关系不是我们要的最终值；因此还有一步工作就是把空间相对位置关系纳入我们需要的坐标系中。也就是说，要通过坐标转换把GPS的观测成果变成我们需要的坐标。这个工作有多种模型可以实现，我们的软件采用的是平面与高程分开转换，平面坐标转换采用先将GPS测得成果投影成平面坐标，再用已知控制点计算二维相似变换的四参数，高程则采用平面拟合或二次曲面拟合模型，利用已知水准点计算出该测区的待测点的高程异常，从而求出他们的高程。坐标转换也会带来误差，该项误差主要取决于已知点的精度和已知点的分布情况。（如果需要公式请查阅相关的测量书籍）。从上可以看出，RTK的测量精度包括两个部分，其一是GPS的测量误差，其二是坐标转换带来的误差。对于ASHTECH设备来说，这两项误差都能够反映，前者在实时测量时可以从手簿上看得到（H RMS 和 V RMS）,也会存在手簿上相应的LOG文件中；对于坐标转换误差来说，又可能有两个误差源，一是投影带来的误差，二是已知点误差的传递。但ASHTECH的RTK控制软件所采用的投影为抵偿投影（中央子午线为基准站所在点的经度，投影面可选为测区平均高程面），所以，可以忽略投影误差，只需考虑已知点误差的影响。当平面已知点为三个以上时，计算转换四参数的同时会给出转换参数的中误差（北方向分量和东方向分量。值得注意的是，如果此时发现转换参数中误差比较大（比如，大于5cm）,而在采集点时实时显示的测量误差在标称精度范围之内，则可以判定是已知点的问题，有可能已知点的精度不够，也有可能已知点的分布不均匀。当平面已知点只有两个时，则只能满足计算坐标转换四参数的必要条件，无多余条件，也就不能给出坐标转换的精度评定。此时，可以从以下方面入手检验坐标转换的精度，一是看转换参数之一-尺度比，该值理想值为1，如果发现偏离1较多（比如： |-1|1/40000，超出了工程精度），则在保证GPS测量精度满足要求的情况下，可判定已知点有问题。4.1.2.RTK的系统组成基准站：a.基准站GPS接收机及接收天线b.无线电数据链电台及发射天线c.12V60A直流电源流动站：a. 流动站GPS接收机及接收天线b.无线电数据链接收机及天线c.手薄在本次试验中采用的是网络RTK，其原理和RTK是一样的，只是数据的传输方式不一样，网络RTK使用internet或者是GPRS进行数据传输的。4.2.数字测图技术数字化测图的基本原理是采集地面上的地形、地物要素的三维坐标以及描述其性质与星湖关系的信息，然后录入计算机，借助于计算机绘图系统进行处理，显示、输出与与传统地形图表现形式相同的地形图。其中，将地形、地物要素转化为数字信息这一过程称为数据采集。计算机绘图系统是用专业的数字化地形图编辑成图软件，通过人际交互的方式编辑地形图，或录入计算机能识别的信息，自动将野外采集的数据绘制成地形图。由于计算机软件通过计算、展点、识别、连接、加标注符号等步骤处理采集的数据，并据此绘制出传统意义上的地形图的过程，通常是在数据采集完成或进行的，要是计算机软件能识别所采集的数据，并据此绘制出传统意义上的地形图。野外测绘师除点位的三维坐标外，还必须采集点的连接信息和描述其性质的属性信息。点位的三维坐标是定位信息亦称为点位信息，使用数字化测绘设备采集并自动计算存储在设备内存或电子手簿中，各点之间以点号区别；连接信息是指测点的关联关系，它包括相邻连接点号和连接线型，绘图系统据此方可将相关的的点连接成一个地形、地物符号。点位信息和连接信息合称为图形信息，又称为几何信息，据此可绘制房屋、道路、河流、地类界、等高线、陡坎等地形图元素。第五章 利用探地雷达对地下管线进行探测的步骤与成图方法的探究本次试验是利用DETECTOR DUO探地雷达对北京建筑工程学院道路下的管线进行探测，并讨论配合该仪器的成图方法5.1.探地雷达对地下管线进行探测的步骤5.1.1.该地区原有的地下管线或平面图资料全面收集和整理测区范围内的已有测绘资料，主要包括：已有的控制测量成果资料学校内控制点的坐标点号X（m）Y（m）H（m）G101307540.429498800.86649.055G102307599.112498801.70349.075G103307597.512498742.75749.219G104307586.372498642.52849.326G105307471.080498653.79049.303G106307479.571498744.91549.242G107307481.928498800.76749.028G108307436.545498685.74449.365G109307432.722498612.10449.260G111307474.211498690.09449.278G112307466.757498609.50549.347G113307374.624498615.44749.355G114307381.534498694.43249.332（图5-1）北京建筑工程学院控制网图各种比例尺地形图及有关技术说明资料（如图5-2）（图5-2）北京建筑工程学院大比例尺地形图目标区域内自然、地理、社会情况、气象、交通等资料5.1.2.探地雷达对收集到得资料进行初步分析，实地了解目标区域的地物、地貌、地形类别，物理条件；核查测区及周围已有控制点的实地位置、完好程度、分布情况，地形图的现势性、测绘成果资料的可靠性；了解目标区域内的交通状况、对目标场地进行现场踏勘，并总结出该区域